2026年8月25日——美国国家科学基金会（NSF）已续资“生物物理与生物工程量子传感量子跃迁挑战研究所”（NSF QuBBE），投入3750万美元、为期五年，以推进量子传感技术发展，这些技术能够揭示用传统工具难以或无法观察到的生物过程。

此次续资将使NSF QuBBE进入下一阶段：将量子传感从原理验证测量推进为研究生物系统的稳健工具。NSF QuBBE由芝加哥大学牵头，与芝加哥州立大学、伊利诺伊大学芝加哥分校、哈佛大学及其他合作机构共同合作，汇聚了量子科学家、工程师、化学家、生物学家和医学专家。

在芝加哥大学，相关工作涵盖芝加哥大学普利兹克分子工程学院、物理科学部、生物科学部以及芝加哥大学医学中心。

“四十多年来，NSF一直在为研究和发现奠定基础，这些研究和发现正在推动当今现代量子计算、传感和通信的发展，”代理NSF主任Brian Stone表示。“现在是时候开展重点行动，利用这一知识基础推动我们走得更远，造福所有美国人。NSF量子跃迁挑战研究所是我们在理解所生活的量子世界方面的下一步。”

NSF QuBBE主任Greg Engel指出：“量子传感已经发展到可以开始解决真实生物学问题的阶段。下一个挑战是让这些工具在生物学实际发生的复杂环境中变得可靠、适应性强且有用。此次续资使我们能够迈出这一步。”Engel还是芝加哥大学化学系主任、芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）教授。

从量子实验到生物工具

量子传感器利用量子系统的特性进行极其精密的测量。在生物学中，它们可以提供新的方法来观察使用传统技术难以触及的分子和纳米尺度细胞过程。

在第一阶段，NSF QuBBE支持了量子传感和生物学领域的多项进展，包括基因编码量子比特、能够检测细胞活动的纳米金刚石传感器、高场纳米级核磁共振的进展，以及利用纠缠进行生物传感的新方法。

在这些进展中，由UChicago PME副教授Peter Maurer和Liew Family教授David Awschalom（均为NSF QuBBE联合首席研究员）及其合作者领导的研究证明，荧光蛋白可以充当自旋量子比特，为可直接在细胞内进行基因表达的量子传感器开辟了可能性。

“在QuBBE的第一阶段，我们使用金刚石和分子量子传感器来探测生物过程，但一个关键挑战是如何将这些传感器精确放置在生命系统中需要它们的地方。这促使我们开发蛋白质量子比特——一种基因编码的量子传感器，其尺寸约为金刚石传感器的十分之一，并且有可能在细胞内实现精准靶向。第二阶段让我们有机会将这些发现转化为生物学工具，”Maurer说。

NSF QuBBE促进的科学融合也推动了量子传感向生物医学应用发展的新努力，包括成立Berggren Center for Quantum Biology and Medicine，该中心设于芝加哥大学普利兹克分子工程学院，与芝加哥大学医学中心和生物科学部合作。该中心正在推动用于医学的量子技术的开发和应用，并培训医生和医师科学家在量子科学与医疗保健的交叉领域开展工作。

未来几年，NSF QuBBE将推动四个相互关联的研究领域的进展：开发用于生物传感的新型量子纳米探针；探索纠缠和压缩传感；推进量子传感器的体内测量；以及加速量子传感在生物学和医学领域的应用。

研究人员将探索从改进金刚石中的氮-空位中心到开发可在生物系统内运作的蛋白质量子传感器等多种方法，同时研究纠缠、先进成像、理论和计算如何为实现测量生物活性的新方法提供可能。

“下一阶段的机会在于从一开始就将量子传感器与生物学问题结合起来，”NSF QuBBE副主任兼联合首席研究员、芝加哥大学普利兹克分子工程学院Neubauer Family助理教授Allison Squires表示。“我们不必孤立地开发一项技术然后再寻找应用，而是可以设计这些工具，使其在我们最终希望它们发挥作用的复杂生物环境中得到应用。”

建设芝加哥量子人才队伍

NSF QuBBE的人才培养项目汇聚了芝加哥大学、芝加哥州立大学（CSU）和伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC），为进入量子科学与技术领域创造途径。

在NSF QuBBE的第一阶段，该研究所与CSU合作建立了Quantum Institute，其中包括Q-Cert——一个为期一年的学士后量子科学认证项目。在下一阶段，NSF QuBBE计划扩展这一模式，包括在CSU启动量子硕士项目，并进一步整合本科、硕士和博士培养。

这项工作将补充CSU新建的Quantum Education, Science and Technology Center（CQuEST），该中心是该大学在量子科学与微电子领域的创新中心，随着芝加哥量子生态系统的成长，它连接了教育、研究和人才培养。

“建设量子科学的未来，需要我们为学生开辟道路，让他们看到自己是其中一员，”NSF QuBBE联合首席研究员、芝加哥州立大学人才培养负责人Valerie Goss表示。“通过与NSF QuBBE的合作，我们正在为学生创造机会，让他们获得参与这一快速发展领域所需的知识、研究经验和人脉。”

NSF QuBBE还将扩大由UIC副教授Minjung Ryu领导的Quantum Academy，该学院通过实践学习、研究经验和教师专业发展，让芝加哥地区的高中生和教师参与量子科学。在第二阶段，Quantum Academy将开发创新课程材料，并为教育工作者提供专业发展，使他们能够为芝加哥地区学校的学生提供高质量的学习体验。

将生物量子传感确立为一个领域

NSF QuBBE将努力使量子传感技术更容易被生物学和医学研究人员使用，扩展基础设施和用户能力，同时让生物学家、医生和其他潜在用户直接参与新技术的开发和测试。

“NSF的量子跃迁挑战研究所的设立是为了提出需要跨学科视角的雄心勃勃的问题，”Engel说。“NSF QuBBE就是围绕其中一个问题建立的：量子测量能否改变我们在生物学和医学中能够看到、理解并最终控制的东西？此次续资使我们有机会创造一批有影响力的工作，为这个重要问题提供答案。”

这份为期五年的合作协议将于2026年9月1日开始，持续到2031年8月31日。

Engel还是Berggren Center for Quantum Biology and Medicine的联合主任，以及芝加哥大学James Franck研究所和生物物理动力学研究所的教授。

NSF QuBBE的研究人员来自芝加哥大学、芝加哥州立大学、伊利诺伊大学芝加哥分校和哈佛大学，涵盖量子信息科学、生物成像、分子与细胞生物物理学、蛋白质工程、材料科学、生物医学研究、教育和人才培养等专业领域。